• Aucun résultat trouvé

Protein adsorption and complement activation for di-block copolymer nanoparticles

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Partager "Protein adsorption and complement activation for di-block copolymer nanoparticles"

Copied!
22
0
0

Texte intégral

(1)

HAL Id: hal-03194438

https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-03194438

Submitted on 9 Apr 2021

HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci-entific research documents, whether they are pub-lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.

L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.

Christine Vauthier, Bjorn Persson, Peter Lindner, Bernard Cabane

To cite this version:

Christine Vauthier, Bjorn Persson, Peter Lindner, Bernard Cabane. Protein adsorption and complement activation for diblock copolymer nanoparticles. Biomaterials, Elsevier, 2011, 32 (6), pp.1646 -1656. �10.1016/j.biomaterials.2010.10.026�. �hal-03194438�

(2)

Protein adsorption and complement activation for di‐

block copolymer nanoparticles

 

 

Christine VAUTHIER

1,2*

, Bjorn PERSSON

3

, Peter LINDNER

4

, Bernard CABANE

5

 

 

1Univ  Paris  Sud,  Physico‐chimie  Pharmacotechnie  Biopharmacie,  UMR  8612,  Chatenay‐Malabry,  F‐ 92296;  2  CNRS,  Chatenay‐Malabry,  F‐92296 ;  3Theoretical  Chemistry,  Chemical  Center,  Lund  University,  SE  221  00  Lund,  Sweden;   4ILL,  BP  156,  38042  Grenoble  Cedex,  France; 5PMMH,  CNRS  UMR 7636, ESPCI, 10 Rue Vauquelin, 75231 Paris Cedex 05, France  

 

Published 

in

Biomaterials  2011;  32(6):1646‐1656.  Available  on  https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2010.10.026 

 

Corresponding author 

Christine Vauthier, Univ Paris Sud, Physico‐chimie Pharmacotechnie Biopharmacie, UMR CNRS 8612,  F‐92296 Chatenay‐Malabry, France 

E‐mail address: Christine.vauthier@u‐psud.fr, Fax Number: 33 1 46 83 53 12    

 

Abstract 

Four types of nanoparticles with core-diffuse shell structures have been synthesized through self-assembly of PICBA-Dextran block copolymers. These nanoparticles are designed to carry

pharmaceutically active molecules into the human body through injection into the blood stream. In this work, we have determined how the characteristics of the diffuse shell influence the adsorption of three types of proteins: Bovine Serum Albumin (BSA), fibrinogen, and a protein from the complement system that triggers recognition and elimination by macrophages. We have determined the structural characteristics of the diffuse shells using Nuclear Magnetic Resonance (NMR), Small Angle Neutron Scattering (SANS) and Quasi-Elastic Light Scattering (QELS). We have measured the adsorption of Bovine Serum Albumin (BSA) through Immunodiffusion methods, and found that it adsorbed in substantial amounts even when the distance between dextran chains at the core-diffuse shell interface is quite short. We have observed the aggregation of the nanoparticles induced by fibrinogen, and found that it was prevented when the density of dextran chains protruding from the core surface was sufficiently high. Finally we have measured the activation of the complement system by the

nanoparticles, and found that it was also limited by the density of dextran chains that protrude from the core and by their mesh size within the diffuse shell.

 

Key words:

 core‐diffuse shell nanoparticles, mesh size, BSA, fibrinogen, C3, adsorption isotherm,  dextran, poly(alkylcyanoacrylate) 

(3)

1. Introduction

Colloidal particles are often used to carry molecules that are pharmaceutically active from the point  of administration to a target site in the body.  The requirements for such a particle are threefold (a) it  should carry a sufficient number of active molecules; (b) it should avoid the body’s mechanisms for  recognition of foreign particles; (c) it should be able to deliver the active molecules to the target. In  order  to  perform  these  functions,  most  colloidal  carriers  rely  on  a  core‐diffuse  shell  structure.  Typically, the core is made of a hydrophobic polymer that dissolves or traps the active molecules. The  diffuse shell (also called corona) is made of hydrophilic polymers that “hide” this hydrophobic core  [1]. 

Colloidal carriers that are injected into the blood stream find themselves in a concentrated protein  solution. The most abundant protein, serum albumin, is present in blood at a concentration of 4%.  Consequently,  the  first  event  that  takes  place  when  a  particle  is  injected  in  the  blood  is  the  adsorption of proteins, mainly serum albumin. Subsequently, other proteins may either displace the  bound  serum  albumins  or  bind  to  the  absorbed  serum  albumin  layers  [2‐4].    Recognition  and  elimination of these foreign particles by the body defense mechanisms including macrophages may  then occur through the absorption of specific proteins, e.g. the C3 protein of the complement system  [5].  Upon  binding,  the  C3  protein  will  change  conformation,  expose  a  reactive  site,  and  release  a  signaling  molecule  that  triggers  the  chain  of  bio‐chemical  events  called  the  complement  activation  cascade [6]. This will lead to the elimination of the particles by the macrophages [7].   

There  are  indications  that  some  chemical  characteristics  of  the  diffuse  shell  have  an  effect  on  complement activation. Indeed a chain length effect has been found for diffuse shell made of PEG or  polysaccharides  [8,9].  Also,  an  effect  of  the  grafting  density  of  hydrophilic  chains  on  the  particle  surfaces has been found in the case of PEG chains [8]. The nature of the hydrophilic chains may also  be  important.  These  effects  may  be  caused  by  interactions  of  C3  with  albumins  that  are  already  adsorbed [10]. Indeed, since the absorption of the C3 complement protein takes place after that of  serum albumin, it will be influenced by the amount of bound serum albumins, their configurations at  the  surface,  and  their  accessibility.    Thus,  in  order  to  design  the  diffuse  shell  for  avoiding  complement activation, we need to know more about the adsorption of albumin.  

Recently we have synthesized a collection of nanometric‐sized drug carriers through self‐assembly of  block copolymers. As a hydrophobic block we chose poly(isobutylcyanoacrylate) (PIBCA), which is a  bioerodible  and  bioeliminable  polymer  that  has  already  been  used  to  deliver  in  vivo  a  number  of  drug molecules [11,12]. As a hydrophilic block, we chose dextran, which is a polysaccharide known to  restrict protein adsorption [13‐14]. The selfassembly of these copolymers does yield particles with a  core‐diffuse  shell  structure  that  is  determined  by  the  respective  lengths  of  the  hydrophobic  and  hydrophilic blocks [9,16]. By changing the conditions of polymerization, we have produced two types  of  particles  that  differ  only  by  the  core  size  and  by  the  density  and  extension  of  the  diffuse  shell.  Remarkably, these two types have very different effects on complement activation. This opens the  possibility  of  finding  how  the  characteristics  of  the  diffuse  shell  control  protein  adsorption  and  complement activation.  

In  this  paper  we  report  characterizations  of  these  polymer  particles  by  Small  Angle  Neutron  Scattering (SANS), measurements of the adsorption of the abundant blood proteins, serum albumin,  through  rocket‐immunoelectrophoresis  [17]  and  radial  immunodiffusion  [18],  measurements  of 

(4)

fibrinogen‐induced  aggregation  through  SANS,  and  measurements  of  the  activation  of  the  complement  system,  through  2‐D  immunoelectrophoresis  [9,19].  We  attempt  to  answer  the  following questions: 

(a) Does the diffuse shell limit protein adsorption, what is the location of the adsorbed proteins,  and what is their configuration? 

(b)  What is the relation between the number of hydrophilic chains that protrude out of the core  and the number of proteins that can be adsorbed? 

(c) Is  there  a  relation  between  the  number  or  the  configuration  of  adsorbed  proteins  and  the  activation of the complement system? 

2. Materials and Methods

2.1. Preparation of nanoparticles PIBCA nanoparticles were prepared by redox radical emulsion polymerization (RREP) according to the  method of Bertholon et al. [9,16]. The polymerization initiated on dextran produces bloc‐copolymers  which self‐assemble into nanoparticles with a core‐diffuse shell structure.  Two dispersions were prepared named A and B, differing by the amount of initiator (dextran‐cerium).  Nanoparticles A were obtained in 8 mL of nitric acid 0.2M containing 0.137 g of dextran (molar mass  69300  Da).  The  solution  was  placed  under  vigorous  magnetic  agitation  at  40°C  and  purged  with  nitrogen  for  10  min.  Then,  2  mL  of  a  solution  of  cerium  ammonium  nitrate  (0.08  M  in  nitric  acid  0.2M)  and  0.5  mL  of  isobutylcyanoacrylate  (IBCA)  were  added  successively  and  the  polymerization  was allowed to proceed for 1 h at 40°C. For nanoparticles B, the volume of nitric acid 0.2M was 9.3  mL, the amount of dextran was 0.0502g and the volume of cerium ammonium nitrate was 0.7 mL. All  other conditions were the same. 

Immediately  after  polymerization,  the  nanoparticle  dispersions  were  cooled  down  to  room  temperature  using  an  ice  bath.  They  were  purified  by  dialysis  (Spectra/Por®  membrane  100  000  g/mol molecular weight cut off) against 1 L of water 4 times to remove unreacted reagents and to  raise the pH to a neutral value. Further purification included a first centrifugation at 720×g for 10 min  followed  by  a  second  centrifugation  at  17000×g  for  15min  to  remove  any  aggregates.  After  the  second  centrifugation,  the  lower  part  of  the  supernatant  (340  µl)  was  collected  as  fractions  Amiddle  and  Bmiddle  respectively  and  the  upper  part  of  the  supernatant  (600  µl)  as  fractions  Atop  and  Btop  respectively. The volume fractions of the dispersions were around 1%. 

2.2. Particle sizes and structures

2.2.1. Quasi-elastic light scattering (QELS).

The  hydrodynamic  radii  of  the  nanoparticles  were  measured  through  QELS  using  a  Zetasizer  ZS90  instrument (Malvern, France). Measurements were performed at 25°C at a scattering angle of 90°.  The  intensity  correlation  function  was  fitted  through  the  instrument  software  to  yield  a  volume‐ weighted distribution of particle sizes. From this distribution we calculated the total volume and total  surface  area  of  the  nanoparticles,  and  the  radius  that  describes  the  corresponding  hydrodynamic 

(5)

volume/surface  ratio.  This  radius  is  identical  to  the  z‐averaged  radius  of  the  particles  defined  by  equation 1. 

Rz = Σ Ni Ri3/ Σ Ni Ri2  [1]. 

Dispersions  were  diluted  in  Milli®  Q  water  filtered  over  a  0.22  µm  membrane  prior  to  the  measurement. 

2.2.2. Scanning electron microscopy (SEM).

Images of freeze‐dried nanoparticle dispersions were obtained using a scanning electron microscope  LEO 1530 (LEICA) equipped with a Gemini column. Prior to observation, freeze dried samples were  mounted on supports and coated with a 2nm Pt/Pd layer using a Cressington sputter coater 208HR  apparatus  (Cressington,  France)  operating  under  argon  atmosphere.  The  sizes  of  more  than  300  individual  nanoparticles  were  measured  to  determine  the  mean  radius  and  the  parameters  of  the  size distribution.  

2.2.3. Small Angle Neutron Scattering (SANS).

Scattering patterns from liquid nanoparticle dispersions were obtained using the instrument D11 at  the  ILL.  The  experiments  yielded  scattering  patterns  consisting  of  intensities  as  a  function  of  scattering vector q. Since the dispersions were isotropic, the scattering patterns were averaged over  all  directions  of  q,  yielding  spectra  of  intensity  I  vs.  magnitude  q  of  the  scattering  vector,  which  is  related to wavelength  and scattering angle  by q = (4/) sin(/2). The range of q values was 6 x  10‐3  to  9  x  10‐2  nm‐1.  In  this  range,  the  interference  patterns  probe  variations  of  the  density  of  scattering  length (r)  with  a  resolution  of  10  nm.  Scattering  is  then  produced  by  the  difference  between the scattering density of a particle, (r), and that of the solvent, s. For the characterization  of the particles, the dispersions were made in H2O, as the difference of scattering density between  the  particles  and  H2O  was  sufficient  to  produce  strong  scattering  [20].  Spectra  were  fitted  with  a  calculated  curve  for  a  log‐normal  distribution  of  spheres.  The  z‐averaged  value  (Rz)  was  calculated  using  equation  1.  Other  experiments  were  made  with  dispersions  made  in  H2O‐D2O  mixtures  that  matched the scattering density of the PIBCA‐dextran nanoparticles, in order to enhance the contrast  of the adsorbed proteins [20]. 

2.3. Composition of the nanoparticles

The  monomer  compositions  of  the  PIBCA‐dextran  copolymers  were  determined  through  (1H)  NMR  spectroscopy.  The  copolymers  were  dissolved  at  40  °C  in  dimethyl‐d6‐sulfoxide  (DMSO,  d6)  (Carlo  Erba)  at  the  concentration  of  20  mg/mL.  Spectra  were  then  recorded  on  a  300  MHz  Brucker  instrument (Brucker, France). The composition was deduced from the spectra by calculating the ratio  between the integral of dextran peaks (4.3 – 5 ppm) and that of the CH peak of PIBCA (1.8 ‐ 2.0 ppm)  [21]. The molecular weight of the PIBCA part of the copolymer was calculated from the composition  in dextran and PIBCA deduced from the NMR spectra and the known molecular weight of dextran (69  300  g/mol),  assuming  that  the  copolymer  was  composed  of  one  chain  of  PIBCA  and  one  chain  of  dextran as shown by Bertholon at al. [16].  

2.4. BSA adsorption through immunomethods.

Nanoparticles at a volume fraction of 0.5% were incubated with different concentrations of BSA in 10  mM phosphate buffer for 3 hours at 37 °C. After incubation, the amount of non‐adsorbed BSA was 

(6)

determined  using  immunochemical  methods  including  immunoelectrophoresis  [17]  and  radial  immunodiffusion [18] as previously described [20].  

In  both  cases,  agarose  gel  plates  (12  cm×8.5  cm)  were  prepared  on  Gelbond®  films  for  agarose  gel  (GE  healthcare,  BioScience,  Sweden).  The  agarose  solution  (13  mL)  at  a  concentration  of  1%  contained  0.3  mL  of  the  bovine  serum  albumin  antisera  (Sigma,  France)  diluted  at  1/5  in  a  saline  phosphate  buffer  (10  mM,  NaCl  140  mM,  KCl  25  mM,  pH  7.5).  For  the  radial  immunodiffusion  technique, the gel was prepared in the saline phosphate buffer (10 mM, NaCl 140 mM, KCl 25 mM,  pH 7.5) whereas tricine buffer (lactate calcium 1 mM, Tris 63 mM, Tricine 27 mM, pH 8.6) was used  to prepare gels for the immunoelectrophoresis method. Wells holding 5µL sample were formed using  a 2mm diameter punch on the gel plates. After deposition of the samples in the wells (5µL) including  standard solutions of BSA and nanoparticles incubated with the different concentrations in BSA, gels  were placed in a humid chamber and let to diffuse in a quiet place for 48 h at room temperature in  the  case  of  the  radial  immunodiffusion  technique.  The  conditions  for  the  immunoelectrophoresis  were  18  h,  230  V,  12mA  (Electrophoresis  power  supply  EPS  600,  Amersham,  Pharmacia  Biotech,  Orsay,  France)  using  Tricine  buffer  as  the  running  buffer  for  the  electrophoresis  performed  in  a  Pharmacia LKB Multiphor II apparatus (Amersham, Pharmacia Biotech, Orsay, France). At the end of  both  types  of  experiments,  the  gels  were  dried  using  Watmann®  filter  papers  and  stained  with  coomassie blue to reveal of the formation of BSA‐antibody immunoprecipitate. Each gel contained a  set  of  5–6  standard  solutions  of  BSA  of  concentrations  ranging  from  20  to  900µg/mL  for  internal  calibration  purpose. In the case of  the radial immunodiffusion  technique,  the calibration  curve is a  linear  relationship  between  the  square  of  the  diameter  of  the  immunoprecipitation  ring  and  BSA  concentration in the well for BSA concentrations ranging from 100 to 900 µg/mL. In the case of the  immunoelectrophoresis,  the  calibration  curve  is  a  linear  relationship  between  the  height  of  the  immunoprecipitation  peak  and  the  concentration  in  BSA  in  the  well  in  the  range  of  BSA  concentrations  comprised  between  20  and  200  µg/mL.  In  both  cases,  calibration  curves  with  correlation coefficients above 0.99 were obtained with a good reproducibility.  

2.5. Fibrinogen induced aggregation of the nanoparticles

Phosphate  buffer  100mM,  pH  7.4  containing  different  concentrations  of  fibrinogen  (human  fibrinogen  from  Sigma)  was  added  to  nanoparticle  dispersions  at  a  volume  ratio  of  1/10.  Final  concentrations of fibrinogen ranged from 0 to 2mg/mL. The behaviour of the dispersion during the  addition  of  the  fibrinogen  was  observed  for  eventual  precipitation.  The  microscopic  aspects  of  the  dispersions containing 2mg/mL fibrinogen were observed with an optical microscope using the phase  contrast mode (Olympus BH2). Dispersions that appeared homogeneous by microscopic observations  were characterized by QELS and SANS. 

2.6. Activation of the complement system

Activation  of  the  complement  system  induced  by  the  nanoparticles  was  evaluated  using  a  2D  immunoelectrophoresis method as described in previous publications [9,19].

Briefly,  the  nanoparticles  (400  cm²  in  100  µl,  as  calculated  from  the  hydrodynamic  radius  of  the  nanoparticles) were incubated with 50 µl human serum and 50 µl veronal buffer containing 0.15 mM  calcium chloride and 0.5 mM magnesium chloride for 1 hour at 37 °C. After incubation, 5 μL of each  sample  was  subjected  to  a  first  electrophoresis  on  a  1%  agarose  gel.  The  second‐dimension  electrophoresis was carried out on Gelbond® films in 1% agarose gel plates  containing a polyclonal 

(7)

antibody to human C3 (Complement C3 antiserum rose in goat, Sigma, France), recognizing both C3  and C3b. The films were finally dried and stained with Coomassie blue to reveal the presence of C3  and C3b which have reacted with the antibody (Sigma).  

The complement activation factor was calculated from the ratio of the area of the peak attributed to  C3b  over  the  sum  of  the  areas  of  the  peaks  attributed  to  C3b  and  to  C3.  This  ratio  was  then  normalized  on  a  scale  ranging  from  0  to  100  in  which  100  indicated  total  activation  and  0  the  spontaneous activation measured in absence of nanoparticles. 

3. Results

3.1. Characterization of the nanoparticles

In order to understand what characteristics of the nanoparticles determined protein adsorption, we  determined their geometric dimensions and their compositions. From these data we calculated, for  each  type  of  nanoparticle  dispersion,  the  average  thickness  of  the diffuse  shell  and  the  surface  density of chains in the diffuse shell at the core surface. 

3.1.1. Particle radii according to SEM, SANS and QELS.

SEM images of the particles show that they are globular and polydisperse in sizes (Figure 1). In the  case  of  the  B  particles,  we  were  able  to  measure  individual  particle  radii,  and  to  obtain  the  distribution  of  these  radii  (Table  1).  In  the  case  of type  A  particles the  smaller  particles  were  not  imaged in SEM. 

Figure 1: Scanning electron micrographs of Type B nanoparticles. Lyophilized powder coated with a 2  nm thick Pt/Pd layer. Scale bar = 200 nm. 

Table  1:  Radii  of  the  nanoparticles  as  determined  by  QELS,  SEM  and  SANS  (Rz  calculated  with 

equation 1). Diffuse shell thicknesses were deduced from comparing QELS with either SEM (*) or SANS  (**). The experimental error was estimated as ± 5 nm for QELS measurements and as ± 2 nm for SANS  measurements. 

  QELS  SEM*  SANS**  Diffuse shell 

thickness   (nm)  Rz (nm)  STD (nm)  Rz*(nm)  STD (nm)  Rz**  (nm)  STD (nm)  Amiddle  112  32      63  20  49**  Atop  47  24      26  8  21**  Bmiddle  88  40  37    40  20  48**  Btop  49  12  32        17* 

(8)

SANS spectra of the dispersions in H2O measure the core radii of the nanoparticles. SANS spectra of  dispersions Amiddle Atop and Bmiddle are shown in Figure 2.  

 

For  type  A  dispersions,  the  scattered  intensity  follows  Guinier’s  law  at  small  q  values  and  then  continues  with  the  q‐4  decay  predicted  by  Porod’s  law  for  dense  particles,  without  any  of  the  oscillations that are expected for monodisperse spheres. These features are the usual behavior when  there  is  a  single  population  of  nanoparticles  with  sizes  broadly  distributed  around  a  mean  value,  since  each  spectrum  is  the  sum  of  intensities  scattered  by  all  particles  in  the  dispersion  [22].  Accordingly,  we  fitted  each  spectrum  with  the  calculated  scattering  curves  for  spheres  with  lognormal distributions of radii. From these distributions we calculated the specific surface area, for  comparison  with  protein  adsorption  measurements,  and  the  corresponding  radius,  Rz,  for 

Figure 2. SANS spectrum of the dispersions Amiddle, 

Atop,  Bmiddle  in  H2O  (volume  fraction  1%  in 

Phosphate  buffer  10mM,  pH  7.4).  For  Amiddle  and 

Atop  the  fits  are  the  scattering  curves  calculated 

for  dispersions  of  dense  homogeneous  spheres  with log‐normal distributions of radii (parameters  in  Table  1).  For  Bmiddle  the  fit  is  obtained  with  a 

similar  distribution  plus  a  population  of  larger  particles (parameters in Table 1). 

(9)

comparison  with  the  hydrodynamic  radius  determined  through  QELS  (Table  1).  As  expected,  nanoparticles  isolated  from  the  lower  part  of  the  supernatant  (fractions  Amiddle)  were  of  larger  size  than those isolated from the top part (Atop).  

The spectrum of the Bmiddle nanoparticles is different: it has a power‐law decay at low q values which  is characteristic of a population of aggregated particles. Accordingly, we fitted this spectrum with the  scattering  curve  calculated  for  a  log‐normal  distribution  of  spheres  plus  a  population  of  larger  particles (Table 1). This was consistent with QELS measurements presented next. 

QELS  measurements  yield  the  distribution  of  hydrodynamic  radii  of  nanoparticles  (Figure  3).  For  Amiddle, Atop and Btop,, QELS shows a single population of nanoparticles with a lognormal distribution,  from which we calculated the z‐averaged hydrodynamic radii (Table 1). These radii characterize the  Brownian motions of particles with their diffuse shells and the solvent that is trapped by the diffuse  shells.  Hence  the  hydrodynamic  thickness  of  the  diffuse  shell  can  be  calculated  as  a  difference  between  the  average  hydrodynamic  radius  and  the  average  core  radius.  However,  since  the  populations of nanoparticles are polydispersed, the results from different methods can be compared  only if they make the same average of the distribution of radii. Thus, we compared the z‐averaged  diffuse shell radius calculated from the distribution of particle sizes measured through QELS with the  z‐averaged core radius calculated from the distribution that fits the SANS spectrum. The difference of  these radii was taken as the diffuse shell thickness (Table 1).     Figure 3. Distributions of hydrodynamic radii for the nanoparticles according to QELS. Horizontal axis:  hydrodynamic radii Ri. Vertical axis: populations of particles P(Ri), normalized to 100 %. In each graph, 

the blue (short‐doted  line) curve is the  volume‐weighted distribution, obtained from the instrument  software.  The  red  (long‐doted  line)  curve  is  the  surface‐weighted  distribution,  and  the  green  (solid  line)  curve  is  the  distribution  of  volume/surface  ratios,  both  calculated  from  the  volume‐weighted  distribution.  The  average  radius  calculated  from  the  ratio  of  total  volume/total  surface  is  the  z‐ average hydrodynamic radius Rz, which is then compared with the core radius Rz* extracted from TEM 

(10)

We found that this thickness was larger than the end‐to‐end distance of dextran polymers that have  the same molar mass Mw as the dextran block of the copolymers used here. Indeed, extensive light  scattering measurements on dilute aqueous dextran solutions yield the law given in equation 2 for  the radius of gyration Rg, in nm, as a function of the molar mass Mw in Da [23].  Rg = 0.4 (Mw)0.3   [2]  The low value of the exponent is due to the fact that dextran polymers are branched. According to  this law, the radius of gyration of the dextran polymers used here should be 11 nm. For a Gaussian  chain, the corresponding end‐to‐end distance would be 28 nm, and for a branched polymer it would  still  be  about  the  same.  As  shown  in  Table  1,  the  calculated  value  of  the  diffuse  shell  thickness  of  Amiddle  nanoparticles  (49  nm)  is  larger  than  this  length,  indicating  that  the  dextran  chains  were  stretched  as  a  result  of  their  confinement  in  the  diffuse  shell.  In  contrast,  for  the  smaller  nanoparticules (Atop and Btop), the diffuse shell thickness (respectively 21 and 17nm) is smaller than  this  value.  In  this  case  the  small  thickness  results  from  the  high  curvature  of  the  nanoparticle  surfaces [24,25]. 

In  the  case  of  Bmiddle  nanoparticles,  the  distribution  of  hydrodynamic  radii  was  bimodal  with  a  population  of  large  aggregates  (2‐4  µm)  (Figure  3).  These  aggregates  contributed  a  very  small  fraction of the surface area but to a larger fraction of the light scattering intensity. Consequently, the  precision  of  surface  area  determinations  can  be  considered  to  be  comparable  to  that  of  the  other  measurements. 

3.1.2. Composition of the particles

The compositions in dextran and PIBCA of the copolymer forming the nanoparticles were determined  by NMR. NMR spectra from the A and B type dispersions were similar to those obtained in previous  work [16]. The composition of each copolymer was deduced from the integration of peaks due to the  characteristic  protons  of  dextran  and  PIBCA  (Table  2).  The  fraction  of  PIBCA  found  in  type  A  copolymers was much lower than that found in type B copolymers. This result agrees with the fact  that  type  A  copolymers  were  prepared  with  a  higher  concentration  of  dextran  in  the  original  solution.  In  addition,  there  was  also  a  smaller  difference  between  the  middle  and  top  fractions  of  each dispersion.  

Table  2 :  Summary  of  the  characteristics  of  the  copolymers  composing  the  nanoparticles  and  calculation of the characteristics of the diffuse shell of dextran: area per dextran chain at the surface  of the core of the nanoparticles, volume fraction of dextran in the diffuse shell and mesh size formed  by dextran chains in the diffuse shell .  Sample  %PIBCA  Mw  PIBCA#  PIBCA degree of  polymerization  Area per chain  at the core  surface (nm²)  Volume fraction of  dextran in the  diffuse shell  Mesh size  of diffuse  shell  (nm)  Amiddle  48 ± 1  63969  418  3.9 ± 0.6  0.24 ± 0.01  4 ± 0.2  Atop  22 ±  0.5  19 546  128  2.8 ± 0.6      Bmiddle  83 ± 2  338 347  2211  32 ± 5  0.02 ± 0.001  47 ± 2  Btop  75 ± 2  207 900  1359  25 ± 5  0.13 ± 0.01  8 ± 0.3  # calculated from the composition of the copolymer 

(11)

 

In a previous work [16], we have shown that the copolymer was composed of one chain of dextran  and  one  chain  of  PIBCA.  Knowing  the  molecular  weight  of  dextran  (69300  g/mol),  and  the  composition of the copolymer we calculate the degree of polymerization and the molecular weight  of  the  PIBCA  moiety.  Results  summarized  in  table  2  showed  that  the  Mw  of  the  PIBCA  part  of  the  type B copolymers were much larger than those in type A copolymers (Table 2).   We can then calculate the number N of PIBCA chains in the core of a nanoparticle according to the  core volume Vcore and the PIBCA chain volume vP‐chain or the mass per chain and the specific mass of  PIBCA d = 1300 kg/m3 NVcore vP chain  4 3 R3 vP chain   [3]   This can be combined with the core surface area to yield the area per chain at the core surface, or its  inverse, the surface density of dextran chains that are tied to the core:  aP chainScore N3vP chain R   [4]  In this equation, the radius R is that corresponding to the specific surface area, i.e. the ratio of the  total volume of all the cores to the total surface area of all the cores. This radius is given as “Rz” in  Table 2. The resulting values of the surface area per dextran chain are given in Table 2. These values  show that the B type particles have a very large surface area per chain, due to the very high molar  mass of their PIBCA chains. 

Finally,  we  calculate  the  volume  fraction  of  dextran  chains  in  the  diffuse  shell  according  to  the  volume of one dextran chain:  dextranN vD chain Vcorona   [5]  We can also calculate the average mesh size  of the diffuse shell according to the scaling law [26]   b  dextran   1 d df           [6]  where b is the length of the statistical segment of the dextran chain (b = 1 nm) [27], d is the space  dimension (d = 3) and df is the fractal dimension of the dextran polymers (approximately df = 2) [23].  The values of dextran and  are also listed in Table 2. In the case of the Atop particles, the calculated  values  of  dextran  and    were  excessively  high,  due  to  the  very  low  degree  of  polymerization  of  the  PIBCA block. Since this degree of polymerization is an average, it is likely that copolymers with the  smaller PIBCA blocks remained in the aqueous phase, and that the Atop nanoparticles contained less  dextran than assumed by equations /3/ and /5/.   3.2. Adsorption of BSA 3.2.1. Adsorption isotherms through radial immunodiffusion and rocket immunoelectrophoresis:   The adsorption of BSA on the nanoparticles at a volume fraction of 0.5% in aqueous dispersion was  determined through two methods: radial immunodiffusion and rocket immunoeletrophoresis. Both  methods measure the concentration of BSA that remains in the dispersion upon equilibrium with the  nanoparticles. Although the analysis is performed without previous separation of the nanoparticles 

(12)

from the incubation medium containing BSA, only the free BSA will be able to penetrate in the gel  during either radial diffusion or electrophoresis and will be quantified by the two methods. As shown  in  previous  work  [20,28],  adsorption  equilibrium  was  reached  after  1  hour  of  incubation  and  both  methods  yield  very  similar  adsorption  isotherms.  The  amount  of  adsorbed  BSA  was  calculated  for  each initial concentration of BSA in the solution, and then the results were converted into adsorption  isotherms. The isotherms given by each type of nanoparticles have a similar shape (Figure 4) with a  first section of high affinity binding (i.e., the amount adsorbed equals the initial amount) followed by  a plateau that indicates saturation of the nanoparticle surfaces (i.e., the adsorbed amount saturates  regardless of the total amount of BSA). It was found that the concentration of the adsorbed BSA at  the  beginning  of  the  plateau  varied  slightly  for  the  different  nanoparticles  considered  in  this  work  (Table  3).  These  values  were  of  the  same  order  of  magnitude  than  that  found  in  a  previous  work  considering  the  same  type  of  nanoparticles  prepared  by  another  polymerization  method  [20,28].  They  were  close  to  those  given  in  the  literature  for  different types  of  surfaces,  excepted  for  those  which were coated with a dense brush of polyethylene glycol [29‐32].  

 

Figure 4: Adsorption isotherms of BSA on the different preparations of nanoparticles after incubation  in  10  mM  phosphate  buffer  (pH  7.4)  for  3  hours  at  37°C.  The  nanoparticles  were  used  at  a  volume  fraction of 0.5%. Doted line: simulation of the amount of BSA adsorbed on the nanoparticle surface  calculated from the Langmuir adsorption equation [7]. 

Table 3: BSA adsorbed at the plateau of saturation deduced from the adsorption isotherms and from  simulations performed with a log normal distribution of the particle size and various thickness of the  adsorbed  layer.  The  monolayer  adsorption  is  calculated  for  BSA  molecules  in  the  “edge‐on”  configuration (see Discussion). 

Sample  Adsorbed amount  mg/m²  Langmuir fit parameters  Experimental

value   Beginning  of plateau  End of  plateau  Affinity

 mL/µg  Monolayer0 mg/m2  Fractionunavailable α 

Fraction unavailable   Amiddle  2.1 ± 0.2  3.0 ± 0.2  0.02  3.66  0.2  0.18  Atop  1.0 ± 0.1  2.4 ± 0.3  0.02  3.66  0.7  0.34  Bmiddle  2.7 ± 0.4  3.4 ± 0.2  0.04  3.66  0  0.07  Btop  1.4 ± 0.3  2.8 ± 0.5  0.04  3.66  0.5  0.23 

(13)

3.2.2. Structural effects of adsorbed BSA:

The  amounts  of  adsorbed  BSA  were  too  small  (in  comparison  with  the  polymer  mass  per  nanoparticle)  to  be  determined  through  SANS.  Indeed,  attempts  were  made  to  measure  the  scattering of the adsorbed BSA using the contrast match technique, as in previous work [20]. SANS  experiments  were  performed  with  dispersions  in  blends  of  H2O  +  D2O.  The  isotopic  compositions  were close to the average scattering density of the nanoparticles. The shapes of spectra obtained at  the  different  contrasts  with  and  without  BSA  were  similar.  The  composition  of  the  solvent  that  matched the nanoparticles was 29.3 % D2O, 70.7% H2O in absence of BSA and 29.7% D2O, 70.3% H2O  in  presence  of  BSA.  The  slight  increase  of  the  average  scattering  density  of  the  nanoparticles  with  BSA can be attributed to the contribution of the protein. However the precision of this determination  was not nearly as good as that of the immunodiffusion methods. 

On the other hand, SANS at full contrast and QELS were used to evidence structural effects such as  aggregation  or  dissociation  of  particles  that  could  be  caused  by  the  adsorption  of  BSA.  The  main  effect  was  found  with  the  dispersion  Bmiddle,  which  was  initially  aggregated  (figures  2  and  3).  Upon  addition of BSA, the QELS data indicated that the population of very large aggregates (radii 2‐4 µm)  was strongly reduced, and the population of nanoparticles shifted to lower sizes (Figure 5). Similarly,  the average radius measured through SANS at full contrast also shifted to lower values. For all other  dispersions  (Amiddle,  Atop  and  Btop),  there  were  no  effects  of  BSA  adsorption:  the  distributions  of  hydrodynamic  radii  remained  the  same,  and  the  spectra  from  dispersions  with  BSA  were  nearly  identical to those of the initial nanoparticles.  

 

Figure 5. Effect of added BSA on the population of aggregates within the Bmiddle dispersion, according 

to QELS. The concentrations of BSA are indicated in the Figure. Horizontal axis: hydrodynamic radii Ri. 

Vertical axis: populations of particles P(Ri), normalized to 100 %. Note the reduction in magnitude of 

the  population  of  very  large  aggregates  and  the  shift  to  lower  radi  of  the  main  population.  For  all  other dispersions, the addition of BSA had no effect on the measured radii (see the text). 

3.3. Interactions of the nanoparticles with fibrinogen

Addition  of  fibrinogen  in  type  B  dispersions  induced  a  strong  precipitation  of  the  nanoparticles.  In  contrast,  type  A  dispersions  remained  homogeneous  during  and  after  addition  of  fibrinogen.  Observations  through  optical  microscopic  confirmed  that  large  precipitates  were  formed  in  type  B  dispersions  while  type  A  dispersions  which  remained  homogenous  at  the  macro‐  and  microscopic  scales (Figure 6). The analysis of the type A dispersions by QELS revealed only a slight increase in the 

(14)

hydrodynamic  radius  of  the  nanoparticles.  After  the  addition  of  2  mg/mL  of  fibrinogen,  the  hydrodynamic radius of dispersion Amiddle increased from 112 to 123 nm while that of dispersion Atop  increased from 60 to 66 nm. SANS also detected a slight aggregation of Atop, due to the presence of  oligomers (up to 5 particles per aggregate) but not in the case of Amiddle.    Figure 6: Macroscopic and microscopic images of the nanoparticle dispersions as they appeared right  after  the  addition  of  fibrinogen  at  a  concentration  of  2  mg/mL  to  the  different  dispersions  of  nanoparticles. Scale bar: 50 µm. 

3.4. Activation of the complement system.

Finally, the capacity of the different nanoparticles to activate the complement system was measured  by  analyzing  the  C3  protein  of  the  complement  in  serum  by  2D  immunoelectrophoresis.  The  two  fractions of nanoparticles A induced a similar and weak activation of the complement system shown  on  the  gel  by  the  larger  peak  on  the  left  side  which  corresponds  to  the  native  C3  protein.  The  complement  activation  factor  was  around  30.1  ±  0.4  and  27  ±  3  for  nanoparticles  Amiddle  and  Atop  respectively  (Figure  7).  The  electrophoregrams  of  nanoparticles  Bmiddle  and  Btop  clearly  showed  that  the two fractions of the nanoparticles B have a very different capacity to activate the complement  system.  Fraction  Bmiddle  induced  an  almost  complete  activation  of  the  complement  shown  by  the  almost absence of the peak of C3 protein on the left side of the gel and the presence of a large peak  on the right  side  corresponding  to the  activated form of the  protein C3, i.e.  C3B. The  complement  activation factor (95 ± 6)  was closed  to the maximum value (100) (Figure 7).   The presence of two  peaks of proteins on the electrophoregram of the serum incubated with nanoparticles Btop indicated  that the activation of the complement system produced by these nanoparticles was much lower than  that found for nanoparticles Bmiddle. The complement activation factor was much lower (41 ± 7) but  remained significantly higher than those obtained with nanoparticles Amiddle and Atop.. 

(15)

  Figure  7:  Activation  of  the  complement  system  evaluated  from  2D  immunoelectrophoresis  experiments  after  incubation  of  the  different  nanoparticles  with  human  serum  in  veronal  buffer  supplemented with calcium chloride and magnesium chloride. The concentration in nanoparticles was  adjusted  to  obtain  an  equivalent  surface  area  of  2000  cm²/mL  in  the  test  tube.  Upper  part:  immunoelectrophoregram shown by the analysis of the C3 proteins after incubation of the serum with  the different  nanoparticles. Lower part: complement activation  factor deduced from the analysis of  the immunoelectrophoregrams. 

4. Discussion

The  aim  of  this  discussion  is  to  deal  with  the  questions  raised  in  the  introduction,  regarding  the  effects  of  the  diffuse  shell  on  the  adsorption  of  small  proteins  (BSA),  fibrinogen,  and  the  larger  proteins  that  trigger  the  activation  of  the  complement  system.  The  discussion  is  based  on  the  characteristics  of  the diffuse  shells  (listed  in  Table  2),  the  characteristics  of  the  proteins  (listed  in  Table  4  below),  the  measured  adsorption  of  BSA  (Table  3),  the  occurrence  of  fibrinogen‐induced  aggregation and the measurements of complement activation. 

(16)

Table 4. Physical characteristics of the proteins 

Protein  BSA [33]  Fibrinogen [34,35]  Complement C3 [5] 

MM  67 000  340 000 

Dimer consisting of three pairs of  polypeptide  chains  (Aα,  Bβ  and  γ)2 

 

184 342* [36]  Chain α 110 000  Chain β 75 000 

1  disulfide  bond  between  chains 

Specific  density 

  1.38   

PI  4.7  5.8  5.7 

Shape  Prism/hard shape  Cylinder  Elongated curve shape* 

Dimensions  (nm)  8 x 8 x 3.8  diameter 3.2,   length 47.5  15.2 x 9 x 8.4*  Plasma  concentration   mg/mL  40  2.6 ‐ 3  1.2  PBD ID    HSA: 1E78 [37]  Not find yet BSA    3GHG [38]    2A73 [39]  *calculated from the amino acid sequence 

4.1. Does the diffuse shell limit the adsorption of small proteins such as BSA?

We have measured the adsorption of BSA on nanoparticles that have very different diffuse shells: A‐ type diffuse shells have a very high surface density of dextran chains (spaced by about 2 nm); B‐type diffuse  shells  have  a  low  surface  density  of  dextran  chains  (spaced  by  about  6  nm).  Yet  all  these  particles  adsorb  a  substantial  amount  of  BSA,  comparable  to  the  amounts  adsorbed  on  other  surfaces [20,31,32,40‐43]. Hence these diffuse shells do not prevent the adsorption of small proteins.  Still,  there  are  differences  in  the  adsorption  isotherms  of  the  4  types  of  nanoparticles.  In  order  to  interpret  these differences, it is instructive to  use a  thermodynamic  model for the adsorption. The  simplest one is the Langmuir model, which assumes equilibrium between a solution of free proteins  and  a  collection  of  independent  adsorption  sites  at  the  nanoparticle  surfaces.  The  equilibrium  adsorption is ruled by two parameters: the affinity  of the protein for the surface sites, which has  the  dimensions  of  an  inverse  concentration,  and  the  saturation  value  of  the  adsorption,    (1‐),  where  is the adsorbed amount for a full protein monolayer, and   is the fraction of the surface  area that is unavailable for adsorption because of the dextran chains. The model yields the following  equation  for  the  adsorbed  amount,  ,  as  a  function  of  the  concentration    of  free  protein  in  the  solution (equation 7).  

(17)

  

0

1



1



  [7] 

In  order  to  use  this  equation,  we  must  determine  ,  and  for  this  we  must  make  an  assumption  regarding the configuration of  the adsorbed proteins. BSA can  be approximated as a prism‐shaped  object, with dimensions 8.4 x 8.4 x 3.8 nm3 [33]. Adsorption in a “flat” configuration requires a free  area  of  70  nm2,  which  is  certainly  not  available  at  the  surfaces  of  the  A‐type  particles,  and  rather  unlikely at the surfaces of the B‐type particles. Adsorption in an “edge” configuration requires a free  area  of  26  nm2,  which  may  be  more  easily  found  if  the  adsorption  site  need  not  be  circular  (see  below). In the following, we assume that BSA is adsorbed on all particles in the “edge” configuration.  A full monolayer in this configuration would contain  = 3.66 mg/m2 of adsorbed protein. With this  choice, the Langmuir model parameters are as given in Table 3 above. Accordingly, the fraction (α) of  the core surface that is unavailable for adsorption is only 0.2 in the case of Amiddle, and 0.7 in the case  of Atop. 

How  do  the  BSA  molecules  manage  to  adsorb  on  surfaces  that  already  have  a  high  density  of  hydrophilic  chains?  The  first  step  in  protein  adsorption  is  the  diffusion  of  the  protein  through  the  diffuse shell to the surface. This diffusion may be prevented if the overall dimensions of the protein  are much larger than the mesh size of the diffuse shell. Thus, the dimensions of BSA (Table 4) must  be  compared  with  the  average  mesh  sizes  of  the  diffuse  shells  (Table  2).  For  type  A  particles,  the  average mesh size is  = 4 nm, and there are of course considerable fluctuations around this value.  Therefore,  diffusion  of  BSA  through  the  mesh  is  difficult  but  certainly  not  impossible.  For  type  B  particles,  the  average  mesh  sizes  are   =  8  nm  and  47  nm,  and  therefore  diffusion  of  BSA  through  these diffuse shells is not restricted. In case of type B particles, the mesh size (47 nm) of the dextran  brush is of the same order of magnitude than the thickness of the diffuse shell (48 nm). Completely  free path from the end of the diffuse shell to the surface of the core may exist on the surface of this  nanoparticle which can give almost free access of the core surface to proteins. 

The  next  step  is  the  binding  of  the  protein  to  the  core  surface.  At  first  sight,  it  appears  that  the  surface is too crowded with dextran chains for this to occur. For Amiddle particles, the area per chain at  the  core  surface  is  only  3.9  nm2  and  for  Atop  it  is  2.8  nm2  (Table  2).  The  required  area  for  a  BSA  macromolecule  adsorbed  in  the  “edge”  configuration  is  much  larger,  equal  to  26  nm2.  A  simple  statistical  calculation  indicates  that  a  BSA  macromolecule  is  very  unlikely  to  find  an  area  of  this  magnitude available for adsorption at the core surface. Consider the insertion of an object with area  S1 into a system with area S having N randomly distributed “hard” points. The density of points on  the surface, ρ, is given in equation 8.    N S .   [8]  The probability of a successful insertion, Pinsert (where the object does not overlap any of the points)  is given by equation 9  N N insert N S S S P                 1 1 1  1   [9]  For a large surface with many “hard points” (N∞) this yields: 

P

insert

 exp 

S

1

  [10] 

(18)

The dimensionless argument of the exponential is the mean number of points per inserted disc. The  free energy difference gives a measure of the process of inserting macromolecules of different area  in the presence of these points. Using the experimental numbers, we find a probability of insertion  equal to 1x10‐3 in the case of Amiddle particles and even lower for Atop. (Table 5).  

Table  5.  Comparison  of  the  diffuse  shell  mesh  sizes  with  the  protein  dimensions.  Insertion 

probabilities  of  the  proteins  at  the  core  surfaces,  based  on  the  area  per  dextran  chain  at  the  core  surface (see table 2).   Sample  diffuse shell  mesh size /  BSA   diffuse shell  mesh size /  fibrinogen  diffuse shell  mesh size /  C3  Pinsert for BSA   Pinsert for  Fibrinogen   Pinsert for C3   Amiddle  1.1  1.3  0.5  1 x 10‐3  6 x 10‐2  4 x 10‐9  Atop        1 x 10‐4  2 x 10‐2  1 x 10‐12  Bmiddle  12.4  14.7  5.6  4 x 10‐1  7 x 10‐1  1 x 10‐1  Btop  2.0  2.4  0.9  3 x 10‐1  6 x 10‐1  5 x 10‐2 

A  similar  mismatch  has  already  been  observed  for  other  particles  with  hydrophilic  diffuse  shells  [29,30,44]. However, this mismatch could be explained in different ways:  (i) ‐ The BSA macromolecules can change conformations, which make it possible for them to fit into  crowded areas. Indeed it is well known that BSA does not retain its native conformation upon  adsorption [10,32,45‐47]  (ii) ‐ The surfaces of albumin macromolecules have “patches” of positive electrical charges that are  attracted to negative charges at the nanoparticle core surface [37].   (iii) ‐ The BSA macromolecules can take conformations that make it possible for them to bind to the  diffuse shells of dextran.  We conclude that the diffuse shells of dextran are not able to prevent the adsorption of small flexible  proteins, even when the density of chains within the diffuse shell is quite high  

4.2. Does the diffuse shell limit the adsorption of larger proteins?

Fibrinogen is a large protein that binds to “foreign” surfaces and causes them to aggregate through a  bridging  mechanism  [48].  Hence,  resistance  to  aggregation  by  fibrinogen  is  a  good  predictor  of  resistance to adsorption of large proteins. In this respect, the two particle types are quite dissimilar.  Type  B  particles  were  strongly  aggregated  by  fibrinogen,  whereas  Atop  are  only  weakly  aggregated,  and Amiddle not at all. These differences are in line with the protection of the particle cores by dextran  chains.  

First,  the  diffusion  of  fibrinogen  through  the  diffuse  shell  of  dextran  depends  on  its  dimensions  (a  thin  cylinder  with  diameter  3.2  nm  and  length  47  nm)  (Table  4).  The  diameter  is  comparable  or  smaller than the mesh size of the diffuse shell for all particles, but the length is much larger. Hence,  diffusion of fibrinogen through the diffuse shell is not restricted if it diffuses along its length. Next,  the binding of a fibrinogen macromolecule requires an area of about 10 nm2, compared with an area  per dextran chain of 3 to 4 nm2 for A particles and 30 nm2 per dextran in B particles (table 2). From  the statistical argument given above, we find an insertion probability of 0.06 for Amiddle particles and  0.7  on  Bmiddle  particles  (Table  5).  Hence  the  adsorption  of  fibrinogen  is  indeed  prevented  by  high  surface  density  of  dextran  chains  in  the  case  of  type  A  particles,  but  not  in  the  case  of  type  B 

(19)

particles.  This  is  in  good  agreement  with  the  observation  of  fibrinogen  induced  aggregation  in  the  case of B particles only.  

Complement C3 protein is also a large protein (molar mass 180000) with dimensions 15.2 x 9 x 8.4  nm3. The adsorption of C3 is the first event that triggers the activation of the complement cascade  [5,6]. The dimensions of C3 are larger than the mesh size of type A diffuse shells, but smaller than  those  of  type  B  diffuse  shells.  As  in  the  case  of  BSA,  diffusion  through  the  diffuse  shells  of  type  A  particles may be difficult, but not impossible due to the fluctuations of dextran chain conformations.  However,  the  binding  of  C3  requires  an  area  of  80  nm2.  The  probability  of  finding  an  area  of  this  magnitude at the nanoparticle surfaces is practically zero for type A particles (Table 5). On the other  hand, this insertion probability at the core surface is 0.1 for Bmiddle, and 0.05 for Btop (Table 5). 

Thus, we have two factors that may explain the differences in complement activation between the  nanoparticles.  Both  yield  a  satisfactory  correlation.  Figure  8a  presents  the  correlation  between  diffuse shell mesh size and complement activation, while Figure 8b presents the correlation between  the  insertion  probability  at  the  core  surface  and  complement  activation.  The  correlation  appears  surprisingly  good  for  the  mesh  size,  and  worse  for  the  insertion  probability  at  the  core  surface.  A  possible interpretation for this effect is that the C3 protein does not need to reach the actual core  surface  in  order  to  trigger  complement  activation.  Indeed,  the  dextran  diffuse  shell  may  contain  albumin macromolecules that have changed conformations in order to bind to dextran chains. These  bound  albumins  may  be  recognized  by  the  C3  proteins  and  in  this  way  trigger  the  complement  cascade. 

 

Figure 8: Relation between complement activation induced by the nanoparticles and the mesh size of  the diffuse shell (a) and the insertion probability of the C3 protein at the core surface (b). 

(20)

5. Conclusion

As presumed, the characteristics of the diffuse  shells determine the interactions of the core-diffuse  shell nanoparticles with serum proteins. The three investigated proteins are very different, and their behaviors are not at all the same. BSA diffuses through the diffuse shell and binds at the core surface even when the density of hydrophilic chains is quite high. This may be due to conformational flexibility of the protein and to attractions between opposite charges located at the protein surface and at the core surface. Fibrinogen manages to diffuse through the diffuse shell because it has the shape of a long cylinder. However, its adsorption at the core surface is restricted by the density of hydrophilic chains. The binding of fibrinogen to neighboring nanoparticles leads to the formation of aggregates of the nanoparticles. We also measured the activation of the complement cascade which is triggered by adsorption of protein C3. From these measurements, we inferred that C3 is repelled by diffuse shells  that have a dense mesh of hydrophilic chains. If it manages to diffuse through this mesh, then it may bind to albumins that are already bound to the core surface or to the diffuse  shell. In this case, the complement cascade is activated. In order to prevent aggregation caused by fibrinogen and recognition by the C3 protein of the complement system, it is necessary to keep these two proteins away from the core surface and from small proteins which adsorbed first during the opsonization process. This requires diffuse shells that have a very high density of hydrophilic chains.

6. Acknowledgments

The authors wish to thank Henkel Biomedical for constant support in giving the monomer used in this  study,  and  Nicolas  Tsapis  at  the  University  of  Paris  South,  UMR  CNRS  8612  for  his  assistance  in  scanning electron microscopy. This work was supported by ILL proposal 9‐12‐176. 

7. References

1.  Vauthier  C,  Bouchemal  K.  Methods  for  the  preparation  and  manufacture  of  polymeric  nanoparticles. Pharm Res 2009;26:1025‐1058. 

2.  Olivier  JC,  Vauthier  C,  Taverna  M,  Puisieux  F,  Ferrier  D,  Couvreur  P.  Stability  of  orosomucoid‐ coated  polyisobutylcyanoacrylate  nanoparticles  in  the  presence  of  serum.  J  Control  Rel  1996;40:157‐168 

3.  Cedervall  T,  Lynch  I,  Foy  M,  Berggård  T,  Donnelly  SC,  Cagney  G,  Linse  S,  Dawson  KA.  Detailed  identification of plasma proteins adsorbed on copolymer nanoparticles. Angew Chem Int Ed Engl  2007;46:5754‐5756  4. Noh H, Vogler EA. Volumetric interpretation of protein adsorption: competition from mixtures and  the Vroman effect. Biomaterials 2007;28:405‐422.  5. Sahu A, Lambris JD. Structure and biology of complement protein C3, a connecting link between  innate and acquired immunity. Immunol Rev 2001;180: 35–48.  6. Law SK, Dodds AW. The internal thioester and the covalent binding properties of the complement  proteins C3 and C4. Protein Sci 1997;6:263‐274. 

7.  Vonarbourg  A,  Passirani  C,  Saulnier  P,  Benoit  JP.  Parameters  influencing  the  stealthiness  of  colloidal drug delivery systems. Biomaterials 2006;27:4356‐4373. 

8.  Vittaz  M,  Bazile  D,  Spenlehauer  G,  Verrecchia  T,  Veillard  M,  Puisieux  F,  Labarre  D.  Effect  of  PEO  surface  density  on  long‐circulating  PLA‐PEO  nanoparticles  which  are  very  low  complement  activators. Biomaterials 1996;17:1575‐1581 

9.  Bertholon  I,  Vauthier  C,  Labarre  D.  Complement  activation  by  core‐shell  poly(isobutylcyanoacrylate)‐polysaccharide  nanoparticles:  influences  of  surface  morphology,  length, and type of polysaccharide. Pharm Res 2006;23:1313‐1323. 

(21)

10. Andersson J, Nilsson Ekdahla K, Lambris JD, Nilsson B. Binding of C3 fragments on top of adsorbed  plasma  proteins  during  complement  activation  on  a  model  biomaterial  surface.  Biomaterials  2005;26:1477–1485. 

11. Vauthier C, Ponchel G, Labarre D. Design aspects of poly(alkylcyanoacrylate) nanoparticles for drug delivery. J Drug Target 2007;15:641-663.

12. Nicolas J, Couvreur P. Synthesis of poly(alkylcyanoacrylate)‐based colloidal nanomedicines. Wiley  Interdiscip Rev Nanomed Nanobiotechnol 2009;1:111‐127. 

13. Osterberg  E, Bergström K, Holmberg K, Schuman TP, Riggs  JA, Burns  NL,  Van Alstine JM, Harris  JM.  Protein‐rejecting  ability  of  surface‐bound  dextran  in  end‐on  and  side‐on  configurations:  comparison to PEG. J Biomed Mater Res 1995;29:741‐747. 

14. Monchaux E, Vermette P. Development of dextran‐derivative arrays to identify physicochemical  properties involved in biofouling from serum. Langmuir 2007;23:3290‐3297. 

15.  Perrino  C,  Lee  S,  Choi  SW,  Maruyama  A,  Spencer  ND.  A  biomimetic  alternative  to 

poly(ethylene  glycol)  as  an  antifouling  coating:  resistance  to  nonspecific  protein 

adsorption of poly(l‐lysine)‐graft‐dextran. Langmuir 2008;24:8850‐8856. 

16.  Bertholon  I,  Lesieur  S,  Labarre  D,  Besnard  M,  Vauthier  C.  Characterization  of  dextran−poly(isobutylcyanoacrylate) copolymers obtained by redox radical and anionic emulsion  polymerization. Macromolecules 2006;39,3559–3567. 

17.  Laurell  CB.  Quantitative  estimation  of  proteins  by  electrophoresis  in  agarose  gel  containing  antibodies. Anal Biochem 1966;15:45–52. 

18.  Mancini  G,  Carbonara  AO,  Heremans  JF.  Immunochemical  quantitation  of  antigens  by  single  radial immunodiffusion. Immunochemistry 1965;2:235–254. 

19.  Boackle  RJ,  Caughman  GB,  Vesely  J,  Medgyesi  G,  Fudenberg  HH.  Potentiation  of  factor  H  by  heparin:  a  rate‐limiting  mechanism  for  inhibition  of  the  alternative  complement  pathway.  Mol  Immunol 1983;20:1157‐1164. 

20. Vauthier C, Lindner P, Cabane B, Configuration of bovine serum albumin adsorbed on polymer particles with grafted dextran corona. Coll Surf B: Biointerf 2009;69:207-215.

21.  Pirker  S,  Kruse  J,  Noe  C,  Langer  K,  Zimmer  A,  Kreuter  J.  Characterization  of  polybutyleyanoacrylate nanoparticles. part II: determination of polymer content by NMR‐analysis.  Int J Pharm 1996;128:189‐195. 

22. Lindner P., Zemb Th. Neutrons, X‐Rays and Light: Scattering methods applied to soft condensed  matter, Amsterdam: Elsevier – North Holland Delta Series, 2002. 

23.  Ioan  CE,  Aberle  T,  Burchard  W.  Structure  properties  of  dextran.  2.  dilute  solution.  Macromolecules 2000;33:5730‐5739 

24.  Garvey  MJ,  Tadros  TF,  Vincent  B.  A  comparison  of  the  adsorbed  layer  thickness  obtained  by  several  techniques  of  various  molecular  weight  fractions  of  poly(vinyl  alcohol)  on  aqueous  polystyrene latex particles. J Colloid Interface Sci 1976;55:440‐453. 

25. Lafuma F, Wong K, Cabane B. Bridging of colloidal particles through adsorbed polymers. J Colloid  Interface Sci 1991;143:9‐21. 

26.  Cabane  B,  Dubois  M,  Lefaucheux  F,  Robert  MC.  Mesh  size  of  aqueous  TMOS  gels.  J  Non  Cryst  Solids 1990;119:121‐131. 

27. Guizard C, Chanzy H, Sarko A. Molecular and crystal structure of dextrans: a combined electron  and  X‐ray  diffraction  study.  1.  the  anhydrous  high‐temperature  polymorph.  Macromolecules  1984;17:100‐107. 

28.  Olivier  JC,  Vauthier  C,  Taverna  M,  Ferrier  D,  Couvreur  P.  Preparation  and  characterization  of  biodegradable  poly(isobutylcyanoacrylate)  nanoparticles  with  the  surface  modified  by  the  adsorption of proteins. Coll Surf B Biointerfaces 1995;4:349‐356 

29.  Gaucher  G,  Asahina  K,  Wang  J,  Leroux  JC.  Effect  of  poly(N‐vinyl‐pyrrolidone)‐block‐poly(D,L‐ lactide)  as  coating  agent  on  the  opsonization,  phagocytosis,  and  pharmacokinetics  of  biodegradable nanoparticles. Biomacromolecules 2009;10:408‐416. 

(22)

30. Bosker WTE, Iakovlev PA, Norde W, Cohen Stuart MA. BSA adsorption on bimodal PEO brushes. J  Colloid Interface Sci 2005;286:496‐503 

31.  Roach  P,  Farrar  D,  Perry  CC.  Surface  tailoring  for  controlled  protein  adsorption:  effect  of  topography at the nanometer scale and chemistry. J Am Chem Soc 2006;128:3939–3945. 

32.  Norde  W,  Giacomelli  CE.  BSA  structural  changes  during  homomolecular  exchange  between  the  adsorbed and the dissolved states. J Biotechnol 2000;79:259‐268.  33. Yampolskaya G, Platikanov D. Proteins at fluid interfaces: adsorption layers and thin liquid films.  Adv Colloid Interface Sci 2006;128‐130:159‐183.  34. Wasilewska M, Adamczyk Z, Jachimska B. Structure of fibrinogen in electrolyte solutions derived  from dynamic light scattering (DLS) and viscosity measurements. Langmuir 2009; 25:3698‐3704.  35. Rosenfeld MA, Leonova VB, Konstantinova ML, Razumovskii SD. Self‐assembly of fibrin monomers  and fibrinogen aggregation during ozone oxidation. Biochemistry (Mosc) 2009;74:41‐46. 

36.  Fredslund  F,  Jenner  L,  Husted  LB,  Nyborg  J,  Andersen  GR,  Sottrup‐Jensen  L.  The  structure  of  bovine  complement  component  3  reveals  the  basis  for  thioester  function.  J  Mol  Biol  2006;361:115‐127. 

37. PBD ID 1E78. Bhattacharya AA, Curry S, Franks  NP. Binding  of the  general anesthetics propofol  and halothane to human serum albumin high resolution crystal structures. the protein data bank.  J Biol Chem 2000;275:38731–38738. 

38. PBD ID 3GHG Kollman JM, Pandi L, Sawaya MR, Riley M, Doolittle RF. Crystal structure of human  fibrinogen. the protein data bank. Biochemistry 2009;48:3877‐3886. 

39. PBD ID 2A73 Janssen BJ, Huizinga EG, Raaijmakers HC, Roos A, Daha MR, Nilsson‐Ekdahl K, Nilsson  B,  Gros  P.  Structures  of  complement  component  C3  provide  insights  into  the  function  and  evolution of immunity. the protein data bank. Nature 2005;437:505‐511. 

40. Norde W, Lyklema J. The adsorption of human plasma albumin and bovine pancreas ribonuclease  at  negatively  charged  polystyrene  surfaces:  1  adsorption  isotherms:  effects  of  charge,  ionic  strength, and temperature. J Colloid Interface Sci 1978;66:257‐265 

41.  Forcini  D,  Hamilton  WA.  Surface  enrichment  of  proteins  at  quartz/water  interfaces:  a  neutron  reflectivity study. J Coll Interf Sci 2005;285:458‐468. 

42.  Amadeu  do  Serro  APV,  la  Catarino  Fernandes  A,  de  Jesus  Vieira  Saramago  B,  Norde  W.  Bovine  serum  albumin  adsorption  on  titania  surfaces  and  its  relation  to  wettability  aspects.  J  Biomed  Mater Res 1999;46:376‐381. 

43. Verrecchia T, Huve P, Bazile D, Veillard M, Spenlehauer G, Couvreur P. Adsorption/desorption of  human  serum  albumin  at  the  surface  of  poly(lactic  acid)  nanoparticles  prepared  by  a  solvent  evaporation process. J Biomed Mater Res 1993;27:1019‐1028. 

44. Oksuka H, Nagasaki Y, Kataoka K. Surface characterization of functionalized polylactide through  the  coating  with  heterobifunctional  poly(ethylene  glycol)/polylactide  block  copolymers.  Biomacromolecules 2000;1:39‐48.  45. Roach P, Farrar D, Perry CC. Interpretation of protein adsorption: surface‐induced conformational  changes. J Am Chem Soc 2005;127:8168‐8173.  46. Shang L, Wang Y, Jiang J, Dong S. pH‐dependent protein conformational changes in albumin: gold  nanoparticle bioconjugates: a spectroscopic study. Langmuir 2007;23: 2714–2721  47. Wangoo N, Suri R, Shekhawat G. Interaction of gold nanoparticles with protein: a spectroscopic  study to monitor protein conformational changes. Appl Phys Lett 2008;92:133104‐1‐133104‐3.  48. Sit PS, Marchand RE. Surface‐dependent differences in fibrin assembly visualized by atomic force  microscopy. Surface Sci 2001;491:421‐432.       

Figure

Figure 1: Scanning electron micrographs of Type B nanoparticles. Lyophilized powder coated with a 2  nm thick Pt/Pd layer. Scale bar = 200 nm. 
Table  2 :  Summary  of  the  characteristics  of  the  copolymers  composing  the  nanoparticles  and  calculation of the characteristics of the diffuse shell of dextran: area per dextran chain at the surface  of the core of the nanoparticles, volume frac
Figure 4: Adsorption isotherms of BSA on the different preparations of nanoparticles after incubation  in  10  mM  phosphate  buffer  (pH  7.4)  for  3  hours  at  37°C.  The  nanoparticles  were  used  at  a  volume  fraction of 0.5%. Doted line: simulati
Figure 5. Effect of added BSA on the population of aggregates within the B middle  dispersion, according  to QELS. The concentrations of BSA are indicated in the Figure. Horizontal axis: hydrodynamic radii R i .  Vertical axis: populations of particles P(R
+4

Références

Documents relatifs